Строение прокариотной клетки

"Жидкая" структура мембран обеспечивает определенную свободу молекул белков, что является необходимым для осуществления процессов транспорта электронов и веществ через мембрану. Это же свойство обусловливает высокую эластичность мембран: они легко сливаются друг с другом, растягиваются и сжимаются.

В отличие от липидов у мембранных белков нет единого способа структурной организации. 30–50% белка имеет конфигурацию a-спирали, остальная часть находится преимущественно в виде беспорядочного клубка. Вероятно, часть белков лишена ферментативной активности и участвует только в поддержании мембранной структуры. В то же время доказано, что для осуществления белками некоторых функций необходима их строго упорядоченная взаимная организация в мембране.

В зависимости от расположения в мембране и характера связи с липидным слоем мембранные белки условно можно разделить на три группы: интегральные, периферические и поверхностные (см. слайд 11). Интегральные белки полностью погружены в мембрану, а иногда пронизывают ее насквозь. Связь интегральных белков с мембранными липидами очень прочна и определяется главным образом гидрофобными взаимодействиями. Периферические белки частично погружены в гидрофобную область, а поверхностные находятся вне ее. В первом случае связь с липидами в основном, а во втором — исключительно определяется электростатическими взаимодействиями. Помимо этого некоторые белки и липиды в мембране могут быть связаны ковалентно.

Предложено несколько моделей строения мембраны. Наибольшее признание получила модель, учитывающая большинство данных, известных о мембранах, согласно которой в липидную основу включены асимметрично расположенные белковые молекулы (см. слайд 11). Некоторые из них образуют скопления на поверхностях липидного би- или монослоя, другие частично или полностью погружены в него, третьи пронизывают его насквозь. В модели подчеркнута асимметрия строения мембраны, основанная на различиях в химическом строении и расположении молекул белка.

Функции ЦПМ прокариот. ЦПМ прокариот выполняет разнообразные функции, в основном обеспечиваемые локализованными в ней соответствующими ферментными белками. Первоначально была постулирована барьерная функция клеточной мембраны, получившая позднее экспериментальное подтверждение. С помощью специальных переносчиков, называемых транслоказами, через мембрану осуществляется избирательный перенос различных органических и неорганических молекул и ионов. В ней локализованы ферменты, катализирующие конечные этапы синтеза мембранных липидов, компонентов клеточной стенки и некоторых других веществ.

Среди внутрицитоплазматических мембран выделяют несколько видов (слайд 12, табл. 2). Развитая система внутрицитоплазматических мембран характерна для большинства фотосинтезирующих эубактерий. Поскольку было показано, что в этих мембранах локализован фотосинтетический аппарат клетки, они получили общее название фотосинтетических мембран. Все фотосинтетические мембраны (как и все внутриклеточные) — производные ЦПМ, возникшие в результате ее разрастания и глубокого впячивания (инвагинации) в цитоплазму. У некоторых организмов (пурпурные бактерии) фотосинтетические мембраны сохранили тесную связь с ЦПМ, легко обнаруживаемую при электронно-микроскопическом изучении ультратонких срезов клетки. У цианобактерий эта связь менее очевидна. Одни авторы считают, что связь фотосинтетических мембран с ЦПМ у цианобактерий всегда существует, но трудно выявляется, поскольку редко попадает в плоскость среза препарата. По другому мнению, фотосинтетические мембраны цианобактерий — структуры, возникшие первоначально из ЦПМ, но впоследствии отделившиеся от нее и являющиеся в настоящее время автономными клеточными компонентами.

Внутрицитоплазматические мембраны фотосинтезирующих эубактерий могут иметь вид трубочек, пузырьков (везикул, хроматофоров) или уплощенных замкнутых дисков (тилакоидов), образованных двумя тесно сближенными мембранными пластинами (ламеллами) (см. рис. 4). Система фотосинтетических мембран очень пластична. Ее морфология и степень развития в клетке определяются многими факторами внешней среды (интенсивностью света, концентрацией кислорода, снабжением клетки питательными веществами), а также возрастными характеристиками культуры.

У прокариот, принадлежащих к разным группам, описаны локальные впячивания ЦПМ, получившие название мезосом (см. слайд 3). Хорошо развитые и сложно организованные мезосомы характерны для грамположительных эубактерий. У грамотрицательных видов они встречаются значительно реже и относительно просто организованы. Мезосомы различаются размерами, формой и локализацией в клетке. Выделяют три основных типа мезосом: ламеллярные (пластинчатые), везикулярные (имеющие форму пузырьков) и тубулярные (трубчатые). Часто можно наблюдать мезосомы смешанного типа: состоящие из ламелл, трубочек и пузырьков. По расположению в клетке различают мезосомы, образующиеся в зоне клеточного деления и формирования поперечной перегородки (септы), мезосомы, к которым прикреплен нуклеоид, и мезосомы, сформированные в результате инвагинации периферических участков ЦПМ.

Генетический аппарат и репликация хромосомы

Строение генетического аппарата прокариот долгое время было предметом жарких дискуссий, суть которых сводилась к тому, есть у них такое же ядро, как у эукариот, или нет. Установлено, что генетический материал прокариотных организмов, как и эукариотных, представлен ДНК, но имеются существенные различия в его структурной организации. У прокариот ДНК представляет собой более или менее компактное образование, занимающее определенную область в цитоплазме и не отделенное от нее мембраной, как это имеет место у эукариот. Чтобы подчеркнуть структурные различия в генетическом аппарате прокариотных и эукариотных клеток, предложено у первых его называть нуклеоидом в отличие от ядра у вторых.

При электронно-микроскопическом наблюдении видно, что нуклеоид прокариот, несмотря на отсутствие ядерной мембраны, довольно четко отграничен от цитоплазмы, занимает в ней, как правило, центральную область и заполнен нитями ДНК диаметром около 2 нм. Не исключено, что на выявляемую в электронном микроскопе организацию прокариотной хромосомы большое влияние оказывают условия фиксации препарата. По имеющимся наблюдениям, в живой клетке нуклеоид занимает больше места в цитоплазме.

Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму ковалентно замкнутого кольца и получившей название бактериальной хромосомы10. Длина молекулы в развернутом виде может составлять более 1 мм, т. е. почти в 1000 раз превышать длину бактериальной клетки. Длительное время считали, что в распределении нитей ДНК бактериальной хромосомы не прослеживается никакой закономерности. Однако если исходить из того, что молекула ДНК образует беспорядочный клубок, трудно объяснить процесс репликации и последующее распределение образовавшихся хромосом по дочерним клеткам. Специальные исследования показали, что хромосомы прокариот представляют собой высокоупорядоченную структуру, имеющую константу седиментации 1300—2000S для свободной и 3200—7000S для связанной с мембраной формы. В том и другом случае часть ДНК в этой структуре представлена системой из 20—100 независимо суперспирализованных петель. В обеспечении суперспирализованной организации хромосом участвуют молекулы РНК.

ДНК прокариот построена так же, как и эукариот (слайд 13). Молекула ДНК несет множество отрицательных зарядов, поскольку каждый фосфатный остаток содержит ионизированную гидроксильную группу. У эукариот отрицательные заряды нейтрализуются образованием комплекса ДНК с основными белками — гистонами. В клетках подавляющего большинства прокариот не обнаружено гистонов, поэтому нейтрализация зарядов осуществляется взаимодействием ДНК с полиаминами (спермином и спермидином), а также с ионами Mg2+. В последнее время у некоторых архебактерий и цианобактерий обнаружены гистоны и гистоноподобные белки, связанные с ДНК. Содержание пар оснований А+Т и Г+Ц в молекуле ДНК является постоянным для данного вида организма и служит важным диагностическим признаком. У прокариот молярная доля ГЦ в ДНК колеблется в очень широких пределах: от 23 до 75%.

Деление молекулы ДНК (репликация) происходит по полуконсервативному механизму и в норме всегда предшествует делению клетки. С помощью электронного микроскопа установлено, что репликация ДНК начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к ЦПМ, где локализован ферментативный аппарат, ответственный за репликацию. Часто можно обнаружить, что контакт ДНК с ЦПМ осуществляется посредством мезосом. Репликация, начавшаяся в точке прикрепления, идет затем в двух противоположных направлениях, образуя характерные для кольцевой хромосомы промежуточные структуры (слайд 14). Возникающие дочерние хромосомы остаются прикрепленными к мембране. Репликация молекул ДНК происходит параллельно с синтезом мембраны в области контакта ДНК с ЦПМ. Это приводит к разделению (сегрегации) дочерних молекул ДНК и оформлению обособленных хромосом (слайд 15).

Модель строения бактериальной хромосомы должна объяснять также прохождение в клетке процессов транскрипции и трансляции. Согласно существующим представлениям суперспирализованные петли соответствуют неактивным в данное время участкам ДНК и находятся в центре нуклеоида. По его периферии располагаются деспирализованные участки, на которых происходит синтез информационной РНК (иРНК), при этом, поскольку у бактерий процессы транскрипции и трансляции идут одновременно, одна и та же молекула иРНК может быть одновременно связана с ДНК и рибосомами (слайд 16).

Рост и способы размножения

Под ростом прокариотной клетки понимают согласованное увеличение количества всех химических компонентов, из которых она построена. Рост является результатом множества скоординированных биосинтетических процессов, находящихся под строгим регуляторным контролем, и приводит к увеличению массы (а следовательно, и размеров) клетки. Но рост клетки не беспределен. После достижения определенных (критических) размеров клетка подвергается делению.

Для подавляющего большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток. При таком способе деления имеет место симметрия в отношении продольной и поперечной оси. У большинства грамположительных эубактерий и нитчатых цианобактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущего от периферии к центру (слайд 17, А). Так у Bacillus subtilis в середине клетки сначала имеет место кольцевое впячивание ЦПМ, сопровождающееся формированием мезосом разного внешнего вида. Они образуются в месте закладки поперечной перегородки, и предполагается их активное участие в процессах синтеза пептидогликана и других компонентов клеточной стенки. Поперечная перегородка формируется из ЦПМ и пептидогликанового слоя, ее наружные слои синтезируются позднее. Клетки большинства грамотрицательных эубактерий делятся путем перетяжки. У Е. coli на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся и направленное внутрь искривление ЦПМ и клеточной стенки (слайд 17, 5). Синтез новой клеточной стенки может происходить в нескольких местах или только в зоне формирования поперечной перегородки (слайд 17, А, Б).

Вариантом бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление. При почковании на одном из полюсов материнской клетки образуется маленький вырост (почка), увеличивающийся в процессе роста. Постепенно почка достигает размеров материнской клетки, после чего отделяется от последней. Клеточная стенка почки полностью синтезируется заново (слайд 17, В). В процессе почкования симметрия наблюдается в отношении только продольной оси. При равновеликом бинарном делении материнская клетка, делясь, дает начало двум дочерним клеткам и сама, таким образом, исчезает. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке, и между ними можно в большинстве случаев обнаружить морфологические и физиологические различия: есть старая материнская клетка и новая дочерняя. В этом случае можно наблюдать процесс старения. Так, для некоторых штаммов Rhodomicrobium показано, что материнская клетка способна отпочковывать не более 4 дочерних клеток. Дочерние клетки лучше приспосабливаются к меняющимся условиям. Почкование обнаружено в разных группах прокариот: среди фото- и хемотрофов, осуществляющих авто- и гетеротрофный конструктивный метаболизм. Вероятно, оно в процессе эволюции возникало несколько раз.

Бинарное деление может происходить в одной или нескольких плоскостях. В первом случае, если после деления клетки не расходятся, это приводит к образованию цепочек палочковидных или сферических клеток, во втором — к клеточным скоплениям разной формы (см. слайд 2, 4–6). Расхождение образовавшихся дочерних клеток происходит в результате лизиса среднего слоя клеточной стенки.

РАЗНООБРАЗИЕ БАКТЕРИЙ

Agrobacterium (слайд 18) поражает живые растения, с помощью Ti-плазмид изменяя их геном так, что клетки растения начинают бесконтрольно делиться. Образуются опухоли. Разные виды Agrobacterium вызывают разные типы опухолей. A. tumefaciens вызывает так называемые "корончатые галлы", A. rhizogenes - разрастание корней - "бородчатые корни", A. rubi вызывает образование опухолей по виду напоминающих малину.

Симбионты морских червей из придонных термальных источников. (слайд 19) Эти микроорганизмы еще не определены и никак не названы. Они "питают" животных, которые не могут питаться самостоятельно. Микробы и черви зависят друг от друга, образуя симбиотические взаимоотношения. Черви дают бактериям место для их обитания, а бактерии производят питательные вещества для них. Эти черви, Riftia pachyptila, необычные животные, так как не имеют рта и пищеварительного тракта и, следовательно, возможности поглощать пищу.

Escherichia coli. (слайд 20) E. coli - модельный объект микробиологии, так как эти бактерии легки в культивировании и время их удвоения всего 20 минут. E. coli открыта в 1885 году Теодором Эшерихом, немецким бактериологом. Эти микроорганизмы - обитатели кишечника здорового человека, они вырабатывают витамин К, необходимый для здоровья организма. В некоторых случаях могут вызывать колиты. E. coli широко используют как "рабочую лошадку" в биотехнологии - для производства ферментов, интерферона и других веществ.

Azoarcus tolulyticus. (слайд 21) Эта бактерия - анаэробный деструктор толуена. Она была выделена из воды, загрязненной газолином. Толуен - наиболее токсичный компонент газолина, который иногда образует утечки из мест хранения, загрязняя подземные воды. Бактерий-деструкторов толуена можно использовать для очистки от подобных загрязнений. Это первый анаэробный деструктор толуена, ранее выделенные штаммы были аэробами. Azoarcus tolulyticus не нуждается в кислороде и может выживать и трудиться в местах, лишенных воздуха.

Бактерии, обитающие в илах стоков. (слайд 22) Сточные воды и илы - родной дом для многих микробов, многие из которых - основные работники по очистке от загрязнений. Большинство подобных микроорганизмов выглядят как мелкие или крупные палочки или кокки. Бактерия на фотографии необычной формы, она спиралевидно скручивается.

Desulfovibrio sp.R2.(слайд 23) Desulfovibrio sp.R2 - сульфатредуцирующая бактерия, выделенная из сточных вод производственного объединения "РОЛТОМ". Демонстрирует рост в присутствии ионов двухвалентной меди (до 800 мг/л!). Как и все сульфатредукторы в процессе своей жизнедеятельности вырабатывает сероводород, который эффективно осаждает тяжелые металлы в растворах. Благодаря этой уникальной особенности, характерной для сульфатредуцирующих бактерий и свой суперустойчивости к меди этот микроорганизм может быть использован при очистке стоков от тяжелых металлов.

Патогенные бактерии (слайд 24)

Пробиотические бактерии 1 (слайд 25)

Пробиотические бактерии 2 (слайд 26)

МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ГРИБЫ

Hemitrichia serpula.(слайд 27) Это споры и нити плесени Hemitrichia serpula. Округлые объекты, похожие на изюмины - это споры. Срученные веревки с заострениями представляют собой очень тонкие нити, называемые "elators". Они действуют выстреливающе, выбрасывая споры в воздух. Споры, подобно семенам растений, разносятся ветром. Споры чрезвычайно выносливы. Некоторые из них остаются жизнеспособными даже после векового бездействия. Цвет их варьирует от золотисто-желтого до коричневого. Они найдены по всему миру, преимущественно в лесах. Они живут на мертвых деревьях, опавших листьях.

Penicillum. (слайд 28) Этот изумительный грибок вырабатывает знаменитый антибиотик - пенициллин. В 1928 г Александр Флеминг открыл, что плесень, названная Penicillum notanum продуцирует вещество, впоследствии названное пенициллином, которое убивает бактерий. Этот антибиотик был первым из множества открытых позже и используемых для лечения инфекций. Другие разновидности Penicillum позволяют получать сыры Blue и Рокфор со своеобразным вкусом и цветом.

Deuteromycetes. (слайд 29) Класс высших грибов с многоклеточным, сильно разветвлённым мицелием. Весь жизненный цикл они проходят в гаплоидной фазе. Размножаются вегетативно и бесполовым путём.

S. Chartarum. (слайд 30) Конидии S. Chartarum несущие зрелые споры с ребристой поверхностью.

S. Chartarum.(слайд 31) Группа конидий S. Chartarum на конце кондиеносца.

S. Chartarum. (слайд 32) Солома поражённая S. Chartarum (вверху) в сравнении с чистой соломой. У людей при контакте с этой сильно зараженной соломой может развиваться стахиботриотоксикоз.

S. Chartarum. (слайд 33) Дерматит у лошади спустя четыре дня после поедания сена зараженного S. Chartarum. Заметное чешуйчатое поражение в области верхней губы.

Ascomycetes Порядок Erysiphales (слайд 34) Erysiphales – аскома Uncinula. Примечательно наличие специальных приспособлений, закручивающихся на концах.

Aspergillus (слайд 35) Аспергилез – острая легочная инфекция, вызываемая грибом aspergillus. Aspergillus может стать причиной различного рода заболеваний: аллергическая реакция у астматиков, развитие гриба в поврежденной ткани легкого и проникновение гриба при пневмонии, которое может затронуть сердце, легкие, мозг и почки.

Аспергиллез (слайд 36) Легкие пораженные аспергилезом. Aspergilloma – колония гриба в легком пораженном предшествующим заболеванием.

18